DE2714159A1

DE2714159A1 - Verfahren und einrichtung zum veraendern des einflusses der temperatur auf die ausbreitungszeit von elastischen oberflaechenwellen

Info

Publication number: DE2714159A1
Application number: DE19772714159
Authority: DE
Inventors: Pierre Hartemann
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-03-30
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1977-10-13
Also published as: FR2346899B1; JPS52119849A; CA1093677A; FR2346899A1; GB1581185A; US4110653A

Description

Unser Zeichen; T 2172

THOMSON-CSF
173 Bd.Haussmann
75008 Paris, Frankreich

Verfahren und Einrichtung zum Verändern des Einflusses der Temperatur auf die Ausbreitungszeit von elastischen Oberflächenwellen

Die Erfindung bezieht sich auf mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Einrichtungen, die im allgemeinen ein piezoelektrisches kristallines Substrat aufweisen, an dessen Oberfläche elektromechanische Elemente für einen Schwingungsenergieaustausch sorgen, wobei die angeregten Schwingungen zu dieser Oberfläche normal oder nichtnormal sind tind mit zunehmender Entfernung von ihr schnell gedämpft werden.

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Die bewußten elektromechanischen Elemente bestehen beispielsweise, ohne daß darunter eine Einschränkung verstanden werden soll, aus interdigital, angeordneten Wandlerkämmen uv;d aus Fadengittern, die als Koppler oder Reflektor dienen. Die elastischen Oberflächenwellen können Rayleigh-Vellen sein. Ein wichtiger Anwendungsfall der mit elastischen Oberflächnnwellen arbeitenden Einrichtungen liegt im Bereich der Herstellung und der Filterung von elektrischen Signalen.

In diesem Bereich ist es wichtig, daß jede in bezug auf die mit elastischen Oberflächcnwcl1 en arbeitende Einrichtung festgelegte Frequenz einen VJert hat, der so wenig wie möglich von der Temperatur abhängig ist.

Zur Erreichung dieses Ziels ist es bekannt; ein kristallines Substrat nach einem besonderen Schnitt zuzuschneiden. Bei passender Wahl der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen ergibt sich ein Betrieb mit stabiler Frequenz in einem bestimmten Temperaturbereich. In der Praxis stellt man jedoch fest, daß dieser Temperaturbereich in bezug auf die Umgebungstemperatur nicht günstig gelegen ist.

Um den Vorteil einer großen Frequenzstabilität zu haben, muß man nämlich die mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Einrichtung in einem therniostatischen Behälter unterbringen. Weil dieser Behälter zwischen einer Wärmequelle und einer Kältequelle arbeitet, stellt die Tatsache, daß der Betriebstemperaturbereich bei der Umgebungstempe-

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ratur liegt, einen Nachteil dar.

Es ist bekannt, daß eine Temperaturregelung nur dann wirksam und leicht durchführbar ist, wenn die Regelung bei einer Temperatur erfolgt, die sich wesentlich von der Umgebungstemperatur unterscheidet.

Zur Beseitigung des oben angegebenen Machteils sieht die Erfindung vor, gewisse Zonen der Oberfläche eines kristallinen Substrats einem Iorienbeschuf} auszusetzen, der zu einer Störung der regelmäßigen Anordnung der Atome und der davon abhängigen physikalischen Kenndaten führt. Die Erfahrung zeigt, daß, wenn ein kristallines Substrat der Einwirkung eines Beschüsses von geladenen Teilchen ausgesetzt wird, das Gesetz, das die Änderung der Ausbreitungszeit der elastischen Oberflächenwellen Ln Abhängigkeit von der Temperatur ausdrückt, keineswegs gleich dem ist, das man beobachtet, wenn die regelmäßige Anordnung der Atome keine Störung erfahren hat. Dadurch, daß eine von den elastischen Oberf lächenv/el] en durchquerte Zone der Oberfläche des Substrats einem Ionenbeschuß ausgesetzt wird, kann der Einfluß der Temperatur auf den Wert der Ausbreitungszeit wesent· lieh verringert werden oder es kann erreicht werden, daß die geringsten Änderungen in einem Temperaturbereich auftreten, der für eine sowohl einfache als auch genaue thermostatische Kontrolle günstiger ist.

Ein Verfahren zur Verringerung der Ausbreitungszeitabweichungen der elastischen Oberflächenwelle.n, die auf die

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Temperaturandorangirn eines kristallinen Substrats zurückzuführen sind, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Substrat nach einem vorbestiminten Schnitt zugeschnitten wird und daß wenigstens eine Oberflächenzone des Substrats, die in der Bahn der Wellen liegt, einem Ionenbeschuß ausgesetzt wird, dessen Dosierung und dessen Ausdehnung so eingestellt werden» daß in vorbestimmten Temperatur- und Frequenzbereichen die Ausbreitungszeitabweichungen, die ohne den Ionenbeschuß beobachtet werden, wesentlich verringert v/erden.

Die Erfindung schafft außerdem eine mit elastischen Oberflächenwellen arbeilnnäe Einrichtung, die sich durch das vorgenannte Verfahren ergibt.

Mehrere Ausf iihrungsbe !.spiele ('er Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung, die das Beurteilen der

Verzögerungszeitabweichungen τ in Abhängigkeit von der Temperatur θ gestattet,

Fig. 2 eine mit elastischen überflächcnwelien

und als Oszillator arbeitende Einrichtung in einem thermostatischen Behälter,

Fig. 3 ein Erläuterung«! Las:ramm,

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Fig. 4 ein weiteres Erläutenmgsdiagranun, und

die Fig. 5 und 6 die Schnitte des Quarzes, die Ausführungsvarianten bilden können.

Fig. 1 zeigt ein Substrat 1, das aus einem piezoelektrischen, kristallinen Material besteht. Dieses Substrat ist beispielsweise aus Quarz gebildet und seine Oberfläche 2 ist nach einem bekannten Schnitt, etwa dem ST-Schnitt, zugeschnitten worden. Das in Fig. 1 dargestellte XYZ-Achsen-System ist so gerichtet, daß die X-Achse der Ausbreitungsrichtung der elastischen Oberflächenwellen entspricht. Diese Achse fällt in dem Fall des ST-Schnittes mit der elektrischen Achse X₁₇ des Quarzkristalles zusammen. Die Z-Achse verläuft senkrecht zu der Oberfläche 2 des Substrats 1 und die Y-Achse liegt in dieser Oberfläche. Wenn es sich um einen ST-Schnitt handelt, fallen die Y- und die Z-Achse nicht mit den elektrischen Achsen Y_ und Z₁₇ des Quarzkri-Stalls zusammen.

Der in Fig.l vorgesehene Schnitt ist somit nach dem üblichen Sprachgebrauch ein (ST, X)-Schnitt.

Fig. 1 zeigt vier Wandler, die aus Elektroden in Form von interdigital angeordneten Kämmen 4,5, 6 und 7 bestehen. Die Kämme 4 und 5 bilden eine erste Verzögerungseinrichtung und haben einen gegenseitigen Abstand Ct , wobei τ die Verzögerungszeit und C die Phasengeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen ist, die sich an der Oberfläche 2

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in der X-Richtung ausbreiten. Die Kämme 6 und 7 bilden eine zweite Verzögerungseinrichtung, auf die das Verfahren nach der Erfindung angewandt worden ist. Es handelt sich in vorliegendem Fall um einen Ionenbeschuß der Oberfläche 2 in einem Bereich 3, der in Fig. 1 schraffiert ist.

Zur Bildung des Bereiches 3 ist die Einrichtung von Fig. beispielsweise in eine lonenirnplantationsanlage eingebracht worden. Die Heliumionen He sind darin mit einer Potentialdifferenz von 100 keV beschleunigt worden und die Dauer des Beschüsses ist so eingestellt worden, daß die durch die Oberfläche 2 empfangene Dosis gleich 1,5 10* He /cm' ist« ■>- dem betrachteten Beispiel erstreckt sich die implantierte Zone über 20 mm und der Abstand von Mitte zu Mitte zwischen den Wandlern 6 und 7 liegt in der Größenordnung von 24, 34 min. Um einfache Vergleiche vornehmen zu können,wurden die Wandler 4 und 5 in derselben Weise angeordnet wie die Wandler 6 und 7. Außer der Oberflächenwelleneinrichtung zeigt Fig. 1 symbolisch ein System 10 zum Einstellen und Messen der Temperatur θ des Substrats 1, einen Generator für ein sinusförmiges elektrisches Signal, der in der Frequenz f geeicht ist, und eine Verzögerungsmeßeinrichtung 9, die vorteilhafterweise aus einem Phasenmesser bestehen kann.

Die Schaltung von Fig. 1 ist dafür bestimmt, die Verzögerung τ anschaulich zu machen, die durch die mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Einrichtung erzeugt wird, sowie die Abweichung β τ , die die Verzögerung τ erfährt,

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wenn sich die Temperatur von θ auf θ + AO ändert. Da die mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Einrichtung in einer Schaltung arbeiten soll, die durch eine Schwingungs oder Bezugsfrequenz f gekennzeichnet ist, werden die Zeitdauenneßwerte vorteilhafterweise in Phasenverschiebungen ausgedrückt. Es kann leicht gezeigt werden, daß in einer Oszillatorschaltung, in der f die Schwingungsfrequenz bei der Temperatur θ und Af die bei der Temperatur θ +ΔΘ beobachtete Frequenzabweichung ist, folgende Beziehung gilt:

τ f

Das Diagramm von Fig. 3 ist mit Hilfe der Schaltung von Fig. 1 aufgezeichnet worden. Es bezieht sich auf Messungen, die an einem (ST,X)-Sehnitt-Quarzsubstrat ausgeführt worden sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist auf der Ordinate die relative. Frequenzabweichung Af /f aufgetragen worden, aber die Skala hat als Ordinatenwert Null das Maximum der Kurve 17, das für den(ST,X)~Quarz bei der Temperatur θ =20 C liegt. Die Kurve 17 ist für die Frequenz f = 235 MHz unter Verwendung der Schaltung von Fig. 1 aufgetragen worden, wobei der Oszillator 8 an den Kamm 4 und den mit dem Kamm 5 verbundenen rechten Eingang des Phasenmessers 9 angeschlossen ist. Da der zwischen den Kämmen 4 und 5 liegende Dereich keinem Ionenbeschuß ausgesetzt worden ist, ergibt sich die Frequenzdriftkennlinie 17. Der optimale Anwendungsbereich ist durch den Rahmen 22 materialisiert, in welchem dio. Empfindli.chkeit gegenüber dem Temperatureinfluß am geringsten ist.

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Die übrigen Kurven 18, 19, 20 und 21 des Diagramms von Fig. 2 sind bei verschiedenen Meßfrequenzen unter Verwendung der Schaltung von Fig. 1 erhalten worden. Es handelt sich dabei weiterhin um den (ST,X)-0uarz, bei dein aber eine Implantation von 1,5 10 He /cm unter einer Spannung von 100 keV vorgenommen worden ist. Die Kurve 18, die bei. der Frequenz 78 MHz erhalten worden ist, zeigt, daß infolge der Ionenimplantation in der Zone 3 der optimale Anwendungsbereich der Einrichtung in dem Rahmen 23 liegt, der einer Erhöhung der Betriebstemperatur entspricht. Mit einer Meßfrequenz von 133 VhI?, ergibt sich die Kurve 19, deren eingerahmter Teil 24 noch weiter zu den hohen Betriebstemperaturen hin verschoben ist. Der Vergleich der Kurven des Diagramms von Fig. 3 zeigt, daß die Belrmdlung der Oberfläche eines kristallinen Substrats durch. Ionenimplantation den Verlauf der Driftkurve der Schwingungsfrequenz wesentlich ändert. Diese Änderung ist um so deutlicher, je höher die Betriebsfrequenz ist. Das erklärt sich aus der Tatsache, daß die Eindringtiefe der Schwingungsenergie mit zunehmender Frequenz abnimmt, so daß der Einfluß der oberflächlichen Änderung der physikalischen Eigenschaften eines Substrats durch Ionenimplantation bei den hohen Frequenzen vo. herrschend wird. Der Verlauf der Kurve 21, die sich bei 235 MHz ergeben hat, zeigt, daß die ^'emperaturdrift der Frequenz in der implantierten Zone positiv ist.

Die Untersuchung der Wärmedrift mit einem amorphen Quarzsubstrat führt zur Beobachtung einer starken Drift mit positivem Vorzeichen in bezug auf das Verhältnis Af /f .

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Es kann somit angenommen werden, daß der Ionenbeschuß eines Substrats im kristallinen Zustand zur Erzeugung von Fehlern in dor regelmäßigen Anordnung der Atome führt, was die beschossene Zone des kristallinen Materials zu dem amorphen Zustand tendieren läßt. Die durch den Ionenbeschuß erzielte Zerstörungswirkung ist im allgemeinen partiell und es muß auch der interstitielle Einschluß von Fremdatomen berücksichtigt werden. Das erklärt, warum die beschossene Zone einei* amorphen Zone gleichgesetzt werden kann.

Schließlich ist zu erkennen, daß die Erfindung ein Verfahren schafft, das darin besteht, ein kristallines Material mit geeignetem Schnitt zu wählen und es in einer gewählten Zone, die sich in der Bahn der Oberflächenwellen befindet, einem Ionenbeschuß auszusetzen. Einer der Vorteile der Verwendung eines solchen Verfahrens wird anhand von Fig. 2 verständlich, die eine mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Einrichtung 2, 6 , 7 zeigt, welche mit einer implantierten Zone 3 versehen ist. Zur Erzeugung von Schwingungen mit einer stabilen Frequenz f ist die mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Einrichtung einem Verstärker 10 zugeordnet und das Ganze ist in einem thermostatischen Behälter 11 untergebracht, der mit einem Temperaturfühler 13 und mit einem Element 16 versehen ist, welches in der Lage ist, zeitlich selektiv Wärmemengen zu liefern oder zu entnehmen. Das Element 16 kann aus einem Heizwiderstand oder aus einem Peltier-Effekt-Übergang bestehen. Eine Quelle 15 für elektrische Energie und ein Thermostatschalter 14, der durch den Fühler 13 gesteuert wird, gestatten, in dem

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Behälter 11 die Temperatur im wesentlichen auf dem Wert θ konstantzuhälten. Damit die Temperaturregelung wirksam und leicht durchführbar ist, muß sich der geregelte Wert θ wesentlich von dem Wert Θ. der Umgebungstemperatur unterscheiden. Fig. 3 zeigt, daß bei NichtVorhandensein der implantierten Zone 3 die Drift der Kurve 17 folgt und daß in der Mitte des Bereiches 22 die Temperatur 20 C beträgt. Eine Regelung bei dieser Temperatur, die in bezug auf die Umgebungstemperatur weder niedrig noch hoch ist, kann nicht zufriedenstellend sein. Durch Vorsehen einer implantierten Zone 3 und durch Wählen der Schwingungsfrequenz f = 133 MfIz zeigt sich dagegen gemäß der Kurve 19 von Fig. 3, daß die geregelte Temperatur auf 75 C gebracht werden kann. Diese. Wahl ist viel günstiger und ist durch Behandeln des Substrats durch Ionenimplantation ermöglicht worden.

Die Erfindung ist offenbar nicht auf den (ST,X)-Schnitt-Quarz beschränkt, der bis hierher betrachtet worden ist. Die Verschiebung des Gipfels der Driftkennlinie zu den hohen Temperaturen hin kann nämlich auch in entgegengesetzter Richtung erfolgen. Andere kristalline Materialien, wie beispielsweise Lithiumtantalat, und auch andere Schnitte sind verwendbar.

Die Ionenimplantation stellt ganz allgemein eine Maßnahme zur Kompensation der Frequenzdrift dar.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Frequenzdriftdiagramm. Die strichpunktierte Driftkurve 25 bezieht sich auf ein nichtimplan-

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tiertes Quarzsubstrat, das nach einem Schnitt, wie er in den Fig. 5 oder 6 dargestellt ist,zugeschnitten ist. Diese Driftkurve 25 unterscheidet sich von der von Fig. 3 durch die Tatsache, daß ihre Steigung negativ ist. Diese Steigung hat gegenüber der Steigung der Driftkurve 26, die sich auf amorphen Quarz bezieht, das entgegengesetzte Vorzeichen. Dank der Ionenimplantation ist es möglich, in einem großen Maße die Frequenzabweichungen zu kompensieren, die sich aus der Temperaturänderung ergeben. Man erhält so eine Driftkurve, wie etwa die Kurve 27, mit einem ausgedehnten optimalen Betriebsbereich, in welchem der Koeffizient erster Ordnung Null ist.

Die Schnitte, die zu der in Fig.4 dargestellten Kompensation führen, sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Fig. 5 zeigt ein Substrat, dessen obere Fläche 2 nach dem (X,Z 36 )-Schnitt zugeschnitten ist. Die elektrischen Achsen des Quarzes sind X_, Y-. und Z„ und die Ausbreitungsrich-

tit it» Cj

tung der elastischen Oberflächenwellen ist mit 29 bezeichnet. In Fig. 6 ist der (Y,X 40 °)-Schnitt dargestellt.

In bezug auf die Positionierung der implantierten Schicht können zwei mögliche Anordnungen angegeben werden. Man kann, wie Fig. 2 zeigt, die implantierte Zone 3 so Zwischenschalten, daß sie die elastischen Oberflächenwellen in der gesamten Breite des Schwingungscnergiebiindels, das von dem Wandler 7 ausgesandt wird, auffängt. Man kann diese Zone auch lediglich auf einem Teil der Breite des Substrats vorsehen. Dazu kann auf Fig. 1 Bezug genommen v/erden, die

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eine implantierte Zone zeigt, welche nur die Hälfte der Breite des Substrats einnimmt., wenn angenommen wird, daß die Wandler 4 und 7 sowie 5 und 6 parallel arbeiten.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE :

IJ Verfahren zur Verringerung der Ausbreitungszeitabweichungen von elastischen Oberflächcnwellen, die auf die Temperaturänderungen eines kristallinen Substrats zurückzuführen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Substrat nach einem vorbestimmten Schnitt zugeschnitten wird und daß wenigstens eine Oberflächenzone des Substrats, die sich in der Bahn der Wellen befindet, einem Ionenbeschuß ausgesetzt wird, dessen Dosierung und Ausdehnung so eingestellt werden, daß in vorbestimmten Temperatur- und Frequenzbereichen die Ausbreitungszeitabweichungen, die bei NichtVorhandensein des Ionenbeschusses beobachtet v/erden, wesentlich verringert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Betriebstemperatur vorhanden ist, beiderseits welcher die Abweichungen dasselbe Vorzeichen haben, wobei der Ionenbeschuß eine Verschiebung der Temperatur bewirkt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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der Ionenbeschuß in der Ausdehnung der Zone eine Utnke.hnrrig der Richtung der Wärmedrift bewirkt, die dem kristallinen Substrat eigen ist, das den Schnitt aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als kristallines Substrat Quarz benutzt wird, daß der
Schnitt ein ST,X-Schnitt ist und daß die Verschiebung aus eiiier Erhöhung der Temperatur besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als kristallines Substrat Quarz benutzt wird und daß
der Schnitt ein X,Z 36 °-Schnitt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als kristallines Substrat Quarz benutzt wird und daß
der Schnitt einem Y,X,40 -Schnitt nahekommt.
7. Mit elastischen Oberf lächeiiwellen arbeitende elektromagnetische Einrichtung mit einem kristallinen Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des kristallinen Substrats den Ionenbeschuß gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erfahren hat.

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